许 威，桂树强，李海峰，彭扬东，王艳秋

(1.中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080;2.辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山 114051)

1 引言

我国的能源消耗以煤为主，煤炭资源在一次能源消费结构中占70%左右，能源结构需要优化，人均碳排放量已接近世界平均水平，已成为世界第二大二氧化碳排放国，生态环境压力明显。为了落实能源电力“碳达峰、碳中和”的行动方案，低碳发展已成为“必选动作”，光伏成为未来重要能源之一，同时为了充分有效地调动光伏制造企业、光伏发电企业等主体的积极性，国家能源局出台强制标准要求建筑物上加装光伏，实现光伏建筑一体化应用，全面建设绿色工厂。城镇污水处理厂有着大面积的污水处理水池和附属构筑物屋面及其他闲置用地，利用其加装分布式光伏发电系统有着得天独厚的空间优势[1]。

与此同时，城镇污水处理厂多数要求运行年限都很长，污水处理年均耗电量比较大，这不仅对于光伏项目的收益、持续性都有保障，而且也使得污水处理厂的土地实现了二次利用，节约工程成本。随着碳中和的长期政策提出并实施，水务+光伏是一项重要的开发资源，使用清洁绿色电力势在必行[2]。

2 水务+光伏可行性分析

由于水处理工艺技术的原因，以及对于环境保护的要求，传统的城镇污水处理厂为了满足污水经处理后实现达标排放，大多污水处理厂不断完善工艺设施以及提标改造并进行深度处理，导致能耗偏高、运行成本增加等问题[3]。基于上述出现的问题现状，通过引入光伏发电系统，所发电能采用“自发自用，余电上网”模式，满足城镇污水处理厂的用电需求[4]。采用该种模式，不仅可以节约能耗，补充企业用电，减少当地电网的压力。而且多余的电能还可以带来可观的经济效益，污水处理厂引入光伏发电的模式，符合国家的产业政策，优化了能源结构，使用绿色能源，是一种可行的创新的环保发展方向。同时，充分利用闲置屋面和厂区，对促进我国太阳能光伏发电技术的开发与利用，推进光伏产业发展具有非常重要的意义[5]。

3 分布式光伏发电系统应用于污水处理厂优点及不足

3.1 优点分析

在污水处理厂构筑物上方空间布置光伏组件，可以实现空间资源最大程度的有效利用。布置在构筑物上方成片的光伏组件遮挡污水处理池，一方面对水处理设施进行有效封闭，另一方面抑制了水池内藻类的生长，提高了污水处理效率和水质。

传统城镇污水处理厂为了满足环保的要求，使污水达标排放，往往致使耗能很高。污水处理厂引入分布式光伏发电系统，可以有效节约电费支出成本，还可以带来诸多经济效益、环境效益、社会效益等。污水处理厂一般占地面积较大，使得光伏装机容量可观，并且分布式光伏安装对原结构影响较小，不影响污水处理厂正常的生产运营，减小了施工成本和维护成本,施工周期短[6]。

实现碳中和，电力的低碳化是最基本的先决条件。光伏发电可以大大节约煤炭资源，每年可减少多种大气污染物的排放，减少SO2、CO2、NOx等排放量，减少了有害物质排放量，减轻环境污染，从而改善了大气环境质量。光伏电站是将太阳能转化成电能的过程，在整个工艺流程中，不产生大气、液体、固体废弃物等方面的污染物，也不会产生大的噪声污染。因此，光伏电站的运行不会对周边环境和生态造成污染或负面影响。

3.2 问题分析

考虑到分布式光伏应用于污水处理厂也存在些许问题，首先光伏发电受气象条件影响较大，随着每天时间以及季节的变化，光照的时间、强度不同，光伏发电系统的发电量不稳定，这也对污水处理厂的供配电系统的平稳运行构成了一定的压力。污水处理厂大多需要连续运行，在夜间光伏系统不能为设备连续供电。在污水处理构筑物上搭建光伏组件，不能超过构筑物的承重要求，同时不能影响污水处理工艺。

但综合考虑来看，城镇污水处理厂引入光伏发电的方式利大于弊的，光伏发电属国家大力支持的可再生能源产业，具有明显的环保和节能效果。光伏发电是直接利用太阳能发电的一项高新技术，具有安全可靠、无噪声、无污染，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无需额外架设输电线路，可以方便地与污水处理厂相结合等优点。这些优点都是常规发电和其他发电方式所不可比拟的。并且光伏发电系统的运行不会对周边环境和生态造成污染或负面影响，从节约煤炭资源和环境保护角度来分析，光伏电站的建设具有较为明显的经济效益、社会效益及环境效益[7]。

4 污水处理厂能耗分析

4.1 主要构筑物能耗指标

污水处理厂的污水处理能耗通常体现在生化处理、深度处理以及污泥处置部分[8]，根据污水处理厂建设参考标准进行统计知，城镇污水处理厂常规污水处理工艺各组成部分能耗非常大[9]，本文以1万m3/d污水处理规模为例，统计城镇污水处理厂的主要构筑物能耗指标，见表1。

表1 城镇污水处理厂主要构筑物的能耗指标

4.2 耗氧污染物削减电耗分析

对于不同工艺规模下的污水处理厂单位耗氧污染物削减电耗情况如表2所示，从表2可以看出，传统污水处理厂的单位污水耗能较高[10]，污水处理厂单位耗氧污染物削减电耗分布在0.58～3.05 kW·h/m3，而且其中并不包括污泥处理部分的耗能，这对于污水处理厂的支出费用无疑是巨大的，运营成本的占比大，不利于污水处理厂的良好运营，与节能环保的理念相违背，不利于可持续运营发展[11]。

表2 耗氧污染物削减电耗统计 kW·h/m3

5 “水务+光伏”项目案例

5.1 太阳能资源分析

基于上述概况，本文进一步以安徽省芜湖市某区域内污水处理厂新建光伏发电项目为例，根据安徽省气象局数据和结合了Meteonorm气象数据软件太阳能辐射数据显示，芜湖市多年太阳能年总辐射量Meteonorm 数据为4406 MJ/m2，近30年间太阳能年总辐射量平均值为1223 kW·h/m2。属于太阳能资源总量“较丰富带”，最近20年芜湖市太阳能年总辐射量的相对极差为23.4%，相对标准偏差5.9%；最近10年芜湖市太阳能年总辐射量的相对极差为18.6%，相对标准偏差5.3%，近20年总辐射量变化平稳。根据《太阳能资源评估方法》(QX/T89-2018)中太阳能资源丰富程度的分级评估方法，该区域的太阳能资源丰富程度属C级，即“资源丰富”(3780 MJ/m2≤GHR<5040 MJ/m2)，能保证项目场址地区有较好的发电量，有良好的开发前景[12]。

5.2 工程设计

该区域内污水处理厂上的光伏组件是沿污水处理池体上以及屋面平铺进行布置，在水池池体上搭建钢结构框架，将光伏组件安装在钢结构框架上，这样对原结构影响较小，不影响污水处理厂的正常生产运营。采用低压并网，每个并网点由逆变器逆变成交流电后接入低压并网柜，再分别接入厂区原有配电房变压器低压母线侧，光伏电站以380 V等级接入厂区配电房，多余电量上传电网。

5.3 发电量估算

考虑发电量损失因素，本文根据项目实际情况和经验系数得到各主要部分损失取值，光伏发电系统效率影响因素主要包括直流电缆、交流电缆的损失、分别取值2%、0.8%；防反二极管及线缆接头的损失，取值1.5%；因组串的输出电流由其中最差的组件决定，且实际上每一块组件的电流特性都不同，所以会带来组件失配的损失，取值4%；在实际工程项目中，由于当地气候、周围环境等原因，会产生灰尘遮挡造成的损失，取值2.5%；以及不可利用的太阳能辐射损失，取值1.2%；和由于设备检修及其他维护损失，取值1.5%；热效应造成的温度损失等，取值4%。最终通过计算综合系统效率Φ=(1-μ1)×(1-μ2)×(1-μ3)×…×(1-μ8)=0.98×0.985×0.96×…×0.96=0.82。

根据计算得综合系统效率Φ为82%，并以Retscreen软件查询安徽省芜湖市气象数据综合考虑(表3)计算发电量，单晶硅光伏组件在光照及常规大气环境中使用会有衰减，按系统第一年衰减2%，以后每年输出衰减0.6%计算，总装机容量约17.458 MWp，芜湖市平均日照3.74 kW·h/m2/day,计算不同年份发电量：

表3 气象数据统计

L=W×Q×Φ×(1-γ%)×365

(1)

式(1)中：L为年发电量(kW·h)；W为系统装机容量(kW)；Q为平均日照(kW·h/m2/d)；Φ为系统效率(%)；γ：逐年衰减率(%)。

由计算公式得到25年发电量，如表4所示。

表4 污水处理厂不同年份发电量

5.4 节能减排分析

根据以上该区域内污水处理厂合计总装机容量17.458 MWp计算发电量，该光伏发电项目25年总发电量约为44681.22万kW·h，25年平均年发电约1787.25万kW·h。根据国际能源署(IEA)《世界能源展望2007》，中国的CO2排放指数为：0.814 kg/(kW·h)，我国火电厂每发电上网1 kW·h，需消耗标准煤305 g，排放6.2 g的硫氧化物(SOx)(脱硫前统计数据)和2.1 g的氮氧化物(NOx)(脱氮前统计数据)来看，该区域内光伏电站的建成，更加促进该区域内节能减排，能源优化，见表5。

根据表5计算，与相同发电量的火电相比，相当于每年可节约标煤5451.11 t(以平均标煤煤耗为0.305 kg/(kW·h)计)，相应每年平均可减少多种大气污染物的排放，其中减少SOx排放量约110.81 t/a，CO2排放量约14548.21 t/a，NOx排放量约37.53 t/a，减少了有害物质排放量，减轻了环境污染，进一步改善当地生态环境。

表5 节能减排效益分析

5.5 收益分析

根据国家发展改革委关于2021年新能源上网电价政策有关事项的通知《发改价格(2021)833号》规定，本次测算上网电价按当地基准电价0.4143元/kW·h考虑，计算可得，该区域内光伏电站的建立预计25年可节省1.85亿元[13]。

根据中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会和国际环保组织绿色和平发布的《中国光伏产业清洁生产研究报告》，光伏发电的能量回收周期仅约为1.3年，光伏系统的使用年限一般设计为25年，也就是说光伏发电系统可以保持在约24年里都是零碳排放，所以光伏发电在降低碳排放方面拥有压倒性的优势。另外，根据可再生能源开发的CCER(国家核证自愿减排量)可用来抵消5%的经核查排放量。以光伏发电项目开发CCER的工程经验来看，100 MWp的光伏发电项目平稳运行平均每年可以开发出11万tCCER，以此计算，本项目17.458 MWp在25年里可以开发出48万tCCER。根据当前市场平均CCER成交价50元/t计算，该光伏电站的建成可以额外增加2400万元的收益[14]。

城镇污水处理厂引入光伏发电的模式，对于保护环境、减少大气污染和水环境污染具有积极的作用，符合清洁生产原则。并且在一定程度上减少了非再生能源的消耗及其带来的环境污染问题，能够调整区域内能源结构，提高当地人民的生活质量，具有较大的清洁能源效益，促进当地经济的发展，符合可持续发展要求[15]。

6 结论

(1)城镇污水处理厂引入光伏发电系统，采用“自发自用，余电上网”模式，既实现了污水处理池体和附属构筑物屋面及其他闲置用地的资源充分利用，又可以补充污水处理厂区日常使用的电力需求，减少当地电网压力，节能减排，并获得一定的收益。

(2)分析分布式光伏发电系统应用于污水处理厂的优点与不足，并以安徽省芜湖市某区域内污水处理厂引入光伏发电系统为例，总共装机容量17.458 MWp，25年总发电量为44681.22万kW·h，25年平均年发电量为1787.25 kW·h，相当于每年可节约标煤5451.11 t，相应每年可减少SOx排放量约110.81 t/a，CO2排放量约14548.2 1t/a，NOx排放量约37.53 t/a，并且运行25年可节省电力成本1.85亿元，并额外增加2400万元的CCER收益,无论从环境、经济、社会效益等方面来看，都是切实可行的。

(3)污水处理厂引入光伏发电系统，对于保护环境，节约能源，促进清洁生产具有积极作用。符合国家碳中和的战略目标，优化传统能源结构，值得推广应用。